Малые реакторы как альтернатива современным энергетическим реакторным установкам

Малые модульные реакторы – одно из самых популярных направлений развития атомной энергетики и реакторных технологий. 

За 70 лет существования ядерные энергетические реакторы заняли прочную позицию в мировом балансе производства электроэнергии. Их мощность увеличилась с нескольких мегаватт до почти двух гигаватт (хотя были проекты и крупнее). 

Современная атомная электрическая станция – не только энергоблок, где присутствует реакторная установка и турбогенератор. Это ориентированное скопление цехов и производств, служащих для обеспечения работы столь мощного агрегата на должном уровне. Вдумайтесь: на любой АЭС существует не только большое количество систем безопасности (которые, кстати, подчиняются принципу резервирования) но и систем обеспечения и поддержки этих систем безопасности. Про количество и разнообразие систем для нормальной эксплуатации просто молчу.

Численность персонала на таких объектах составляет в среднем около 1000 человек на энергоблок. А если на площадке АЭС могут присутствовать дополнительные производства, к примеру, комплекс по переработке РАО, отдельное хранилище отработавшего топлива или даже опреснительная станция, то количество персонала только возрастет. 

АЭС Брюс (Канада) — 6232 МВт (э). На фото видны цеха по производству тяжёлой воды.

Казалось бы, если станция экономически выгодна и генерирует большое количество электроэнергии, в чём же подвох?

У современных АЭС, как больших промышленных комплексов, есть существенные недостатки. Прежде всего это огромнейшие затраты на возведение такого комплекса. К примеру, стоимость строительства энергоблока №3 АЭС Олкилуото изменялась с 3 до 8,5 млрд. долларов (стоит учесть тот факт, что некоторые обеспечивающие цеха, и квалифицированный персонал на станции уже имеется). Для сравнения – стоимость БАК составила 6 млрд. долларов.

Для эксплуатации и обслуживания таких гигантов требуется не только эксплуатирующая организация, но и надзорный орган, большое количество институтов и научных центров по поддержке эксплуатации и безопасности.

В государствах с небольшим потреблением электроэнергии атомные электрические станции в современном виде будут экономически невыгодны. Думаю, читатели представляют, насколько большие затраты ждут владельцев АЭС после окончания срока эксплуатации, когда станцию нужно разбирать, перерабатывать и упаковывать отходы от производства электроэнергии на АЭС. Опыт показывает, что снятие с эксплуатации крупных АЭС обычно отстает по срокам.

Другая реальность

Параллельно с крупными энергетическими установками, развивались десятки установок для военных программ, к примеру, реакторы для подводных лодок (до 190 МВт) и исследовательские реакторы. Всё это дало толчок в будущем для развития малых реакторов.

Итак, что это? В определении МАГАТЭ, «малые» — реакторы электрической мощностью до 300 МВт, «средние» — до 700 МВт. Тем не менее, «SMR» используется чаще всего как акроним для «малого модульного реактора», предназначенный для серийного строительства, как альтернатива сложной конструкции «атомного острова» с его громоздкими помещениями и корпусами.

ММР – малые модульные реакторы – установки, разработанные с использованием интегральных технологий (реакторы с насосами (или без) и парогенераторами в одном корпусе), которые планируется изготавливать на заводах, используя при этом все экономические прелести серийного производства. Они могут быть построены независимо друг от друга или в виде модулей в большем комплексе, с добавлением мощности постепенно по мере необходимости.

Располагаться малые реакторы могут где угодно и как угодно.

Проект Flexblue – энергетический модуль, располагаемый под водой

Российская военная экзотика – концепт

Большинство ММР, если сравнивать с крупными реакторами, являются малообслуживаемыми. В частности, проекты таких реакторов предполагают более длительный интервал между перегрузками топлива (от 2 до 10 лет против 12–24 месяцев у больших энергоблоков) либо закладку топлива вообще на весь жизненный цикл – для этого необходимо периодически (раз в 10 и более лет) проводить замену компактного реакторного модуля.

Основные преимущества:

1. Меньшая удельная мощность реакторной установки априори делает ее более безопасной, с точки зрения энергонапряженности (меньшая мощность – меньшее остаточное тепловыделение после останова). С точки зрения бэкенда – относительно низкие количества наработанных РАО.
2. Энергоблоки данного типа менее зависимы от наличия возможности забора большого количества охлаждающей воды поблизости. Тем самым прекрасно подходят для работы в отдаленных уголках планеты (и не только), к примеру, генерируя энергию для добычи полезных ископаемых.
3. Наличие достаточного количества пассивных систем безопасности. По-хорошему (в теории), данные системы решают основную аварийную проблему – потерю конечного потребителя тепла в случае аварии. На деле – хоть системы и пассивны, они так же нуждаются в постоянном надзоре и обслуживании. Но стоит признать большую устойчивость малых РУ к типичной ситуации – полной потере электропитания.
4. Минимизация технически сложных строительно-монтажных работ с учетом специфики регионов возможного размещения. Минимальный объем обслуживания. Сокращение числа необходимого обслуживающего персонала на местах.
5. Возможность существенного упрощения процедуры снятия с эксплуатации данных энергоблоков.

Малые реакторы, имеющие близкую перспективу внедрения (10 – 15 лет), относятся к следующим типам корпусных реакторов: PWR (водо-водяные под давлением), реакторы на быстрых нейтронах или высокотемпературные (преимущественно с газовым теплоносителем).

Слева на право: 1 – водо-водяной Westinghouse SMR. 2 – гелиевый HTMR-100. 3 – быстрый PRISM.

Поскольку большинство проектов ММР находятся на уровне концепта и требуют значительных НИОКР в будущем, дабы внести конкретику в моё повествование, остановлюсь на двух самых актуальных, уже готовых проектах.

1) NuScale (NuScale Power Inc., США)

Проект «NuScale Plant», ранее называвшийся MASLWR, представляет собой блок с водо-водяным реактором под давлением малой мощности – 45 МВт(эл).

Он был разработан совместно национальной инженерной лабораторией Айдахо и университетом штата Орегон (США). В 2007 году для коммерциализации проекта была создана компания «NuScale Power Inc.». Разработка проекта ведётся с 2000 года. Поскольку это модульный реактор — стандартно на площадке устанавливается 12 таких модулей.

Реакторное здание. Вид в разрезе.

Активная зона, парогенераторы и компенсатор давления находятся в пределах одного сосуда, циркуляционные насосы отсутствуют. Диаметр корпуса составляет 2,9 метра, высота 17,4 метра.
Теплоноситель, нагреваясь в активной зоне, двигается вверх, отдает тепло в парогенераторе, и по опускным каналам возвращается назад. Естественная циркуляция, да.

Активная зона набирается из тепловыделяющих сборок с красивым названием NuFuel-HTP2. По факту, схожая по дизайну с ТВС для западных блоков PWR, конструкция. Техническая спецификация на сборку для NRC вот. Перегрузку планируют производить каждые 24 месяца.

ТВС реактора NuScale. Кстати говоря, производства AREVA.

Картограмма загрузки активной зоны реактора NuScale.

Главной отличительной особенностью от схожих проектов является то, что корпус реактора дополнительно помещён в толстостенный металлический сосуд из нержавеющей стали. Вся эта конструкция находится в бассейне, полностью погруженная в воду. Система отвода остаточного тепловыделения состоит из двух независимых пассивных систем. 

Системы планового и аварийного отвода тепла.

В конце 2016 года компания подала в американский регулятор заявку на получение лицензии. Это первая заявка на получение лицензии для SMR в США. Сей факт означает, что на данном этапе проект готов почти полностью, и имеет возможность стать вполне реальным, продаваемым продуктом. 

2) CAREM-25 (CNEA, Аргентина)

Вероятно, читатель не ожидал увидеть эту страну в топе разработчиков ММР, но Аргентина сейчас находится ближе всех к эксплуатации 25-мегаваттного демонстрационного модульного реактора.

CAREM-25 представляет собой интегральный тип PWR, строительство которого началось в 2014 году по соседству с АЭС Атуча. Приятно удивляет то, что это аргентинская технология, и 70% оборудования и материалов планируется получать от местных производителей.

Проект разработан в качестве источника энергии для электроснабжения регионов с малым потреблением. Так же может быть использован для работы опреснительной установки.

Корпус реактора и основные системы безопасности.

Активная зона, гидравлические приводы органов регулирования, и двенадцать прямотрубных вертикальных парогенераторов (с перегревом пара) расположены в одном корпусе – по всем канонам модульности. В первом контуре – естественная циркуляция. Корпус реактора имеет диаметр 3,2 метра и высоту 11 метров. Активная зона набирается из 61 шестигранной (!) топливной кассеты.

ТВС реактора CAREM-25.

CAREM-25 содержит пассивные и простые активные системы безопасности. В проекте заложено, что при тяжёлой аварии активная зона остаётся неповреждённой в течение 36 часов без действия оператора и без внешнего электроснабжения. Ожидаемая частота повреждения активной зоны (ЧПАЗ)–10E-07 реактор/год.

Остановка цепной реакции деления производится с помощью двух независимых систем — стержнями СУЗ и системой впрыска бора в воду. При нормальных условиях эксплуатации бор не используется.

Отвод остаточного энерговыделения осуществляется пассивной системой PRHRS. Работает по принципу технологического конденсатора (isolation condenser). Конденсаторы PRHRS расположены в бассейне в верхней части контайнмента. Система обеспечивает отвод тепла от активной зоны в течение 36 часов. 

Технологический конденсатор и бассейн системы PRHRS.

В проекте предусмотрена также пассивная аварийная система заливки воды в активную зону EIS в случае снижения давления в корпусе ниже уставки 1,5 МПа – при этом давлении рвётся предохранительная диафрагма, и в корпус заливается борированная вода из бака системы EIS. По-простому – гидроёмкости САОЗ.

Первая загрузка планируется в 2018.

К данному проекту есть большое количество вопросов. Например, надёжность 12-ти внутрикорпусных парогенераторов, возможность их осмотра и ремонта. 

А так будет выглядить здание энергоблока снаружи.

Как вывод, стоит отметить, что малые реакторы позволят «подзарядить мотор» мирного атома и придать отрасли новые силы, а меньшая мощность, означающая более короткие сроки строительства, позволит снизить стоимость генерации и побороться с набирающими популярность ВИЭ.

В конце 2016 года был создан консорциум для реализации стратегической задачи – начать коммерческую эксплуатацию малых реакторов с середины 2020-х годов. В его состав входят следующие компании: AREVA, Bechtel, BWXT, Dominion, Duke Energy, Energy Northwest, Fluor, Holtec International, NuScale Power, Ontario Power Generation, PSEG, TVA и Utah Associated Municipal Power Systems. Как видим, присутствует несколько весомых игроков.

Так что о светлом будущем говорить пока рано, но позитивная динамика всё же видна.